基于机器学习的WDM卫星激光通信中链路性能优化方法研究

The purpose of this project is to research the link performance optimization method of high-speed satellite laser communication system, aiming at the requirements of high-speed, low-delay, high-capacity and high reliability of future satellite laser communication network. Combining machine learning theory, we propose the optimization scheme of link performance based on theoretical and technically in satellite communication. The main research contents are as follows: 1) Establishment of Doppler frequency shift evaluation and compensation model, proposed Doppler frequency compensation scheme based on EM algorithm; 2) We propose in-band crosstalk suppression scheme based on advanced least squares method; 3) The effect modeling of of background light noise on the satellite laser communication system is proposed, and the background light noise suppression scheme based on K-means algorithm is proposed. Finally, a high-speed satellite laser communication system platform based on wavelength division multiplexing is proposed to verify the feasibility of the link performance optimization scheme. Through the research of this project, it is expected to make solid progress in the field of laser communication technology, and to accumulate the research results for high-speed satellite laser communication engineering.

本项目旨针对未来卫星激光通信网络的高速率、低时延、大容量、高可靠等要求，对高速的卫星激光通信系统的链路性能优化方法进行研究，结合机器学习理论，提出链路性能优化方案，为实现卫星激光链路的高速数据传输的工程应用提供理论技术基础。主要研究内容包括：1）建立多普勒频移评估模型，提出基于EM算法的多普勒频移评估补偿方案；2）基于改进型最小二乘法的带内串扰抑制方案研究；3）分析背景光噪声对卫星激光通信系统的影响，提出基于K-means算法的背景光噪声抑制方案；最后搭建高速基于波分复用的卫星激光通信系统仿真平台，验证链路性能优化方案的可行性。通过本项目的研究，期望在空间激光通信这一技术研究方向取得扎实的进展，为高速卫星激光通信的工程实现积累成果。

面向大容量、高速率、高谱效的天基信息光网络技术发展及研究是国家社会、经济与科技发展中重要的战略措施。以波分复用为基础的高速卫星激光组网技术是未来实现空天地一体化的重要组成部分。本项目围绕基于波分复用的卫星激光通信系统中链路性能，结合机器学习算法的优势，探索链路性能优化的机理及模型，重点攻克影响链路性能的主要因素，同时掌握自主知识产权的高速卫星激光通信系统链路性能优化方法，实现高速的、高性能的卫星激光通信系统。项目通过技术创新与突破，在高速卫星激光链路性能优化基础理论上取得研究成果，为未来高速的、高谱效的、大容量的及高性能的天基信息网、空天地一体化网络的应用及发展提供重要的理论依据与技术支撑。具体如下：针对高速空间激光通信系统信号衰减严重，通信延时较大的特点，开展了高速相干空间激光通信技术研究，实现速率为100Gbps的空间激光通信系统，完成了传输速率为100Gbps、大气信道传输距离为2.3km、调制格式为PM-QPSK的相干检测和高效DSP信号处理，同时，国内首次实现了传输速率为100Gbps、大气信道传输距离为2.3km的16路4k高清视频的实时传输；另外，针对大气湍流、背景光噪声、激光指向误差、多普勒频移以及空间光到光纤的耦合效率等问题，建立了包含大气湍流、指向误差、背景光噪声、光纤耦合及多普勒频移的链路性能评估模型，并提出了补偿方案，分析了各个因素对高速激光通信系统的影响，最后搭建高速激光通信系统仿真平台与实验验证平台，验证链路性能优化方案的可行性，为实现卫星激光链路的高速数据传输的工程应用提供理论技术基础。